傳感器的應(yīng)用一

1、【教學(xué)目標(biāo)】1知識與技能：（1）、了解傳感器應(yīng)用的一般模式；（2）、理解應(yīng)變式力傳感器的應(yīng)用電子秤的工作原理。（3）、理解聲傳感器的應(yīng)用話筒的工作原理。(4)、理解溫度傳感器的應(yīng)用電熨斗的工作原理（5）、會(huì)設(shè)計(jì)簡單的有關(guān)傳感器應(yīng)用的控制電路。2過程與方法：通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合物理學(xué)的知識，探究電子秤、話筒、電熨斗等的工作原理，從而了解力傳感器、聲傳感器和溫度傳感器的一般應(yīng)用，進(jìn)一步總結(jié)出傳感器應(yīng)用的一般模式。3情感、態(tài)度與價(jià)值觀激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)動(dòng)手能力，提高創(chuàng)新意識，提高物理理論知識與實(shí)際相結(jié)合的綜合實(shí)踐能力?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】：各種傳感器的應(yīng)用原理及結(jié)構(gòu)。【教學(xué)難點(diǎn)】：各種傳感器的應(yīng)用原理及結(jié)構(gòu)。

2、【教學(xué)方法】：PPT課件，演示實(shí)驗(yàn)，講授【教學(xué)用具】：小型電子秤，話筒，電熨斗、示波器?！窘虒W(xué)過程】一、引入新課師：上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了傳感器及其工作原理。傳感器是能夠感知諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)化為電路通斷的一類元件。請大家回憶一下光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件各是把什么物理量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的元件？學(xué)生思考后回答：光敏電阻將光學(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)電學(xué)量。熱敏電阻將溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)電學(xué)量。霍爾元件把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)化為電壓這個(gè)電學(xué)量。這節(jié)課我們來學(xué)習(xí)傳感器的應(yīng)用二、進(jìn)行新課1、傳感器應(yīng)用的一般模式師：閱讀教材開頭幾段

3、，然后合上書，在練習(xí)本上畫出傳感器應(yīng)用的一般模式示意圖。提示：一般情況下，傳感器產(chǎn)生的信號非常微弱，要想觸發(fā)控制電路，此信號必須進(jìn)一步放大才可以，所以需要放大電路，即放大器。生：閱讀教材并在練習(xí)本上畫出傳感器應(yīng)用的一般模式示意圖。傳感器轉(zhuǎn)換或放大電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)儀表顯示微機(jī)系統(tǒng)師：下面學(xué)習(xí)幾個(gè)傳感器應(yīng)用的實(shí)例。2力傳感器的應(yīng)用電子秤師：閱讀教材61頁最后一段，思考并回答問題。（1）電子秤使用的測力裝置是什么？它是由什么元件組成的？（2）簡述力傳感器的工作原理。（3）應(yīng)變片能夠把什么力學(xué)量轉(zhuǎn)化為什么電學(xué)量？生：閱讀教材，思考并回答問題。生1：電子秤的測力裝置是力傳感器，它是由一個(gè)金屬梁和兩個(gè)應(yīng)變片一

4、起組成了測力部分。生2：在金屬梁沒有力的情況下，金屬梁處于水平狀態(tài)，梁的上下應(yīng)變片的長度沒變且相等，兩應(yīng)變片的電阻大小也相等，當(dāng)給金屬梁施加豎直向下的力時(shí)，金屬梁會(huì)向下彎曲，使得金屬梁上面的應(yīng)變片被拉長，電阻變大，兩端電壓也變大，而下邊的應(yīng)變片被擠壓收縮，電阻變小，兩端的電壓也減小，使得兩應(yīng)變片兩端電壓值不相等，存在差值，控制電路就通過這個(gè)差值，經(jīng)過放大電路將差值信號放大，再在顯示器上顯示出數(shù)字，即力F的大小。生3：應(yīng)變片能夠?qū)⑿巫冞@個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)電學(xué)量。師：總結(jié)點(diǎn)評，結(jié)合板畫強(qiáng)調(diào)講解應(yīng)變片測力原理。3聲傳感器的應(yīng)用話筒師：閱讀教材62頁有關(guān)內(nèi)容，思考并回答問題。（1）話筒的作用是什么

5、？（2）說明動(dòng)圈式話筒的工作原理和工作過程。（3）說明電容式話筒的工作原理和工作過程。這種話筒的優(yōu)點(diǎn)是什么？（4）駐極體話筒的工作原理是什么？有何優(yōu)點(diǎn)？生：閱讀教材，思考并回答問題。生1：話筒的作用是把聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號。生2：動(dòng)圈式話筒的工作原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。膜片接收到聲波后引起振動(dòng)，連接在膜片上的線圈隨著一起振動(dòng)，線圈在永磁體的磁場里振動(dòng)從而產(chǎn)生感應(yīng)電流（電信號），感應(yīng)電流的大小和方向都變化，振幅和頻率的變化都由聲波決定，這個(gè)信號電流經(jīng)擴(kuò)音器放大后傳給揚(yáng)聲器，從揚(yáng)聲器中就發(fā)出放大的聲音。生3：電容式話筒的工作原理：利用電容器充放電形成的充放電電流。薄金屬膜M和固定電極N形成一個(gè)電容器，

6、被直流電源充電當(dāng)聲波使膜片振動(dòng)時(shí)，電容發(fā)生變化，電路中形成變化的電流，于是電阻R兩端就輸出了與聲音變化規(guī)律相同的電壓優(yōu)點(diǎn)：保真度好。生4：駐極體話筒的原理同電容式話筒，只是其內(nèi)部感受聲波的是駐極體塑料薄膜優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕，價(jià)格便宜，靈敏度高，工作電壓低。師：指出：駐極體話筒利用了電介質(zhì)的極化現(xiàn)象：將電介質(zhì)放入電場中，在前后兩個(gè)表面上會(huì)分別出現(xiàn)正電荷與負(fù)電荷的現(xiàn)象某些電介質(zhì)在電場中被極化后，去掉外加電場，仍然會(huì)長期保持被極化的狀態(tài)，這種材料稱為駐極體師：演示實(shí)驗(yàn)：按照如圖所示的連接駐極體話筒的工作電路，話筒的輸出端經(jīng)過隔直電容接到示波器。對著話筒喊話，觀察示波器的熒光屏上的波形，再用另外一人

7、同樣對話筒喊話，比較兩次聲音產(chǎn)生的波形有什么不一樣。上述過程，就是話筒將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程。生：觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象?，F(xiàn)象：不同的聲波信號，熒光屏上顯示的波形不同。說明話筒產(chǎn)生的電信號是由接收到的聲波控制的。4溫度傳感器的應(yīng)用電熨斗師：溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，它能把溫度的高低轉(zhuǎn)變成電信號，通常是利用物體的某一物理性質(zhì)隨溫度的變化而改變的特性制成的電熨斗就是靠溫度傳感器來控制溫度的。實(shí)驗(yàn)：取一個(gè)報(bào)廢的日光燈啟輝器，去掉外殼，敲碎氖泡的玻璃，可以看到一個(gè)U型的雙金屬片，雙金屬片的旁邊有一根直立的金屬絲，兩者構(gòu)成一對觸點(diǎn)，常溫下觸點(diǎn)是分離的，用火焰靠近金屬片，可以看到雙金屬片的形狀變化，

8、與金屬絲接觸，熄滅火焰，雙金屬片逐漸恢復(fù)原狀，兩個(gè)觸點(diǎn)分離。把這個(gè)啟動(dòng)器用到溫控開關(guān)，可以控制小燈泡的亮和滅。生：做實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。師：電熨斗就裝有雙金屬片溫度傳感器。這種傳感器的作用是控制電路的通斷。投影：電熨斗結(jié)構(gòu)圖（如圖所示）思考與討論：（1）常溫下，上、下觸點(diǎn)應(yīng)是接觸的還是分離的？當(dāng)溫度過高時(shí)，雙金屬片將怎樣起作用？（2）熨燙棉麻衣物和熨燙絲綢衣物需要設(shè)定不同的溫度，這是如何使用調(diào)溫旋鈕來實(shí)現(xiàn)的？參考答案：（1）常溫下，上、下觸點(diǎn)應(yīng)是接觸的，但溫度過高時(shí)，由于雙金屬片受熱膨脹系數(shù)不同，上部金屬膨脹大，下部金屬膨脹小，則雙金屬片向下彎曲，使觸點(diǎn)分離，從而切斷電源，停止加熱溫度降低后，

9、雙金屬片恢復(fù)原狀，重新接通電路加熱，這樣循環(huán)進(jìn)行，起到自動(dòng)控制溫度的作用（2）熨燙棉麻衣物和熨燙絲綢衣物需要設(shè)定不同的溫度，此時(shí)可通過調(diào)溫旋鈕調(diào)節(jié)升降螺絲，升降螺絲帶動(dòng)彈性鋼片升降，從而改變觸點(diǎn)接觸的難易，達(dá)到控制在不同溫度的目的拓展：溫度傳感器的另一應(yīng)用電冰箱的溫控裝置如圖所示是某種電冰箱內(nèi)溫度控制器的結(jié)構(gòu)，銅質(zhì)的測溫泡1，細(xì)管2和彈性金屬膜盒3連成密封的系統(tǒng)，里面充有氯甲烷盒它的蒸汽，構(gòu)成一個(gè)溫度傳感器，膜盒3為扁圓形，右表面固定，左表面通過小柱體與彈簧片4連接，盒中氣體的壓強(qiáng)增大時(shí)，盒體就會(huì)膨脹，測溫泡1安裝在冰箱的冷藏室中。5、6分別是電路的動(dòng)觸點(diǎn)盒靜觸點(diǎn)，控制制冷壓縮機(jī)的工作，拉簧7

10、的兩端分別連接到彈簧片4盒連桿9上。連桿9的下端是裝在機(jī)箱上的軸。凸輪8是由設(shè)定溫度的旋鈕控制的，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)凸輪連桿上端右移，從而加大對彈簧7的拉力。自動(dòng)控溫原理：如圖所示是某種電冰箱內(nèi)溫度控制器的結(jié)構(gòu)，銅制的測溫泡1、細(xì)管2和彈性金屬膜盒3連通成密封的系統(tǒng)，里面充有氯甲烷和它的蒸汽，構(gòu)成了一個(gè)溫度傳感器，膜盒為扁圓形，右表面固定，左表面通過小柱體與彈簧片4連接，盒中氣體的壓強(qiáng)增大時(shí)，盒體就會(huì)膨脹，測溫泡1安裝在冰箱的冷藏室中。5、6分別是電路的動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)，控制制冷壓縮機(jī)的工作，拉簧7的兩端分別連接到彈簧片和連桿9上，連桿9的下端裝在機(jī)箱上的軸，凸輪8是由設(shè)定溫度的旋鈕控制的，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)

11、時(shí)凸輪連桿上端右移，從而加大對彈簧7的拉力。當(dāng)冷藏室里的溫度升高時(shí)，1、2、3中的氯甲烷受熱膨脹，彈性金屬膜盒3的左端膨脹，推動(dòng)彈簧片4向左轉(zhuǎn)動(dòng)，使5、6接觸，控制的壓縮機(jī)電路開始工作制冷，當(dāng)溫度下降到一定程度，氯甲烷受冷收縮，5、6又分開，制冷結(jié)束，直到下次溫度升高再重復(fù)上述過程。溫度設(shè)定原理：將凸輪8逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，凸輪將連桿9向右頂，使得彈簧7彈力增大，此時(shí)要將5、6觸點(diǎn)接通，所需要的力就要大些，溫度要高一些，即溫控?fù)鯌?yīng)低一些（例如1級），順時(shí)針旋轉(zhuǎn)凸輪8，控制的溫度低一些，控溫?fù)跻咭恍?。（三）典型例題例1.用如圖所示的裝置可以測量汽車在水平路面上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的加速度該裝置是在矩形箱子

12、的前、后壁上各安裝一個(gè)由力敏電阻組成的壓力傳感器用兩根相同的輕彈簧夾著一個(gè)質(zhì)量為2.0 kg的滑塊可無摩擦滑動(dòng)，兩彈簧的另一端分別壓在傳感器a、b上，其壓力大小可直接從傳感器的液晶顯示屏上讀出現(xiàn)將裝置沿運(yùn)動(dòng)方向固定在汽車上，傳感器b在前，傳感器a在后汽車靜止時(shí)，傳感器a、b在的示數(shù)均為 10 N（取g=10 ms2）（1）若傳感器a的示數(shù)為 14 N、b的示數(shù)為6.0 N，求此時(shí)汽車的加速度大小和方向（2）當(dāng)汽車以怎樣的加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器a的示數(shù)為零分析：傳感器上所顯示出的力的大小，即彈簧對傳感器的壓力，據(jù)牛頓第三定律知，此即為彈簧上的彈力大小，亦即該彈簧對滑塊的彈力大小解：（1）如圖所示，

13、依題意：左側(cè)彈簧對滑塊向右的推力 F1=14N，右側(cè)彈簧對滑塊的向左的推力 F2=6.0 N滑塊所受合力產(chǎn)生加速度a1，根據(jù)牛頓第二定律有得4 m/s2a1與F1同方向，即向前（向右）（2）a傳感器的讀數(shù)恰為零，即左側(cè)彈簧的彈力，因兩彈簧相同，左彈簧伸長多少，右彈簧就縮短多少，所以右彈簧的彈力變?yōu)镹。滑塊所受合力產(chǎn)生加速度，由牛頓第二定律得，a2=10m/s2，方向向左例2、如圖5是電容式話筒的示意圖，它是利用電容制作的傳感器，話筒的振動(dòng)膜前面鍍有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動(dòng)膜上的金屬層和這個(gè)金屬板構(gòu)成電容器的兩極，在兩極間加一電壓U，人對著話筒說話時(shí)，振動(dòng)膜前后振動(dòng)，使電

14、容發(fā)生變化，導(dǎo)致話筒所在電路中的其它量發(fā)生變化，使聲音信號被話筒轉(zhuǎn)化為電信號，其中導(dǎo)致電容變化的原因可能是容器兩板間的（A）金屬板金屬膜振動(dòng)膜外電路圖5（A）距離變化 （B）正對面積變化（C）介質(zhì)變化 （D）電壓變化例3.如圖9所示是一種測量血壓的壓力傳感器在工作時(shí)的示意圖。薄金屬片P固定有4個(gè)電阻R1、R2、R3、R4（如圖10所示），左邊是它的側(cè)面圖這四個(gè)電阻連接成電路如圖11所示，試回答下列問題：（1）開始時(shí)金屬片中央O點(diǎn)未加任何壓力，欲使電壓表無示數(shù)，則4個(gè)電阻應(yīng)滿足怎樣的關(guān)系？（2）當(dāng)O點(diǎn)加一個(gè)壓力F后發(fā)生形變，這時(shí)4個(gè)電阻也隨之發(fā)生形變，形變后各電阻大小如何變化？（3）電阻變化后，

15、電阻的A、B兩點(diǎn)哪點(diǎn)電壓高？它為什么能測量電壓？P圖9FOPR1R4R2R3O圖10VR1R2R3R4BA圖11(提示：當(dāng)O點(diǎn)加垂直于金屬片的壓力后，金屬片發(fā)生形變，由于電阻是固定在金屬片上的（由上圖），因此R1、R4被拉長，R2、R3被拉寬。)解析：（1）本題是電路中A、B兩點(diǎn)間電壓與4個(gè)電阻的關(guān)系，由于電壓表的電阻可看作無窮大，因此本電路是R1、R2的串聯(lián)電路與R3、R4的串聯(lián)電路并聯(lián)，伏特表電路相當(dāng)于一根電橋，要使伏特表無讀數(shù)，即A、B兩點(diǎn)電勢相等則有：R1/R2= R3/R4或R1R4= R2R3。（2）當(dāng)O點(diǎn)加垂直于金屬片的壓力后，金屬片發(fā)生形變，由于電阻是固定在金屬片上的（由上圖）

16、，因此R1、R4被拉長，R2、R3被拉寬，根據(jù)電阻定率，則R1、R4增大，R2、R3減小，顯然，這時(shí)A、B兩點(diǎn)電壓不再相等。（3）電阻增大，電壓降增大，電阻減小，電壓降減小，故在R1、R2的串聯(lián)電路上R1上的電壓降增大，R3、R4串聯(lián)電路上R3電壓降減小，所以A點(diǎn)電壓高于B點(diǎn)電壓。測量血壓時(shí)，血壓越高，壓力F越大，金屬片形變越顯著，電阻變化越大，因而電壓表示數(shù)越大，于是就能根據(jù)電壓表示數(shù)的大小來測量血壓的高低了。當(dāng)然在實(shí)際上由于金屬片形變較小，所以電阻變化也較小，A、B兩點(diǎn)間電壓還要經(jīng)過放大才能通過電表指示出來，有的還可以轉(zhuǎn)換成數(shù)字顯示出來。【課堂總結(jié)】本節(jié)課主要學(xué)習(xí)了以下幾個(gè)問題： 力傳感器的應(yīng)用電子秤 傳感器的應(yīng)用 聲傳感器的應(yīng)用話筒 溫度傳感器的應(yīng)用電熨斗力傳感器是把力信號轉(zhuǎn)換成